成素梅
科学实在论与反实在论之争是当代科学哲学研究的最核心论题之一。在这个论题中，争论最多的焦点之一就是，究竟应该如何理解理论实体的本体性问题。这里的理论实体是指由科学理论假设的实体，例如电子、光子等微观粒子。在科学哲学家中间，关于宏观实体与微观实体之间的关系问题至少有三种观点：第一种观点认为，宏观实体是真实存在的，微观实体只是一种表象，是理论解释现象的一种工具，这种立场主要以不同形式的经验主义者为代表；第二种观点刚好相反，把宏观实体看成是微观实体的表象，这种观点以美国科学哲学家塞拉斯（Wilfrid Stalker Sellars 1912-1989）为代表，他在1962年的“哲学与人类的科学映像”一文中阐述了这种观点；第三种观点认为，两者都是存在的，或者说，两者都具有实在性，这种观点以苏格兰籍的澳大利亚科学哲学家斯马特（John Jamieson Carswell Smart,1920-）为代表，他在1963年出版的《哲学与科学实在论》一书中阐述了这种立场，这也应该是物理学家比较倾向于支持的一种立场。对这种科学哲学基本问题的研究，如果能够与理论物理学家进行对话，了解物理学家对微观粒子的实在性问题的理解，是很重要的，也是很有帮助的。
成：
赵：这些粒子当然是真的。只是当我们描述一个粒子的行为时，我们通常用经典图像或量子图像来描述它。这两种图像是完全不同的。它们提供的最终答案，有时是相同的，有时是不同的。重要的是要认识到，即使是它们能给出相同答案的那些情形，它们在基本概念与物理内涵方面也是完全不同的。在非相对论量子力学中，微观粒子实际上是一种算符，这些算符在我们熟知的空间坐标中可以用波函数的形式表达出来。所有物理量实际上都是算符的事实是非相对论量子物理学中的一个基本概念，在经典物理学中完全没有这种特性。
成：按照量子力学的理论描述，当把微观实体或微观粒子的行为用波函数来表达时，波函数的性质决定了，在两个以上的粒子系统中，粒子之间必然存在着一种非定域性的关联，薛定谔最早把这种非定域性（nonlocality）的关联称之为量子纠缠（entanglement）。现在，量子纠缠已经成为量子计算和量子信息科学发展的重要资源。特别是，随着短距离的量子通讯技术的成功实现，量子纠缠现象已经成为既有理论基础又有实验证据的一种客观存在。量子纠缠不仅从理论上拉近了现实与科幻的距离，成为一种神奇的力量预示着会带来更加深刻的技术革命，而且，对于哲学研究来说，由量子纠缠现象所带来的冲击比过去任何时候都为巨大，主要涉及到对微观粒子的实在性、定域性、因果性等问题的重新阐述。我的问题是，在您的理解中，量子非定域性概念与量子纠缠概念之间是一种什么样的关系呢？
赵：我的理解是：如果用一个波函数F（a，b）来描述粒子a和粒子b，那么，这两个粒子就已经注定了它们是相互纠缠在一起的了。一旦纠缠在一起，对这两个粒子往后的运动的描述就一定会导致非定域性。纠缠概念和非定域性概念就它们基本上都起因于波函数F（a，b）的这个性质来说，是相同的。因此，这两个概念在基本意义上是一回事。
我刚才说一旦我们用 F（a，b）来描述两个粒子, 那么这两个粒子就注定了纠缠, 其实也不尽然。要两个粒子纠缠在一起对波函数 F（a，b）还是有要求的，那个要求是什么呢? 拥有两个不纠缠——因此避免了非定域性——的粒子的唯一办法是，当波函数 F（a，b）可以分解为两个单独的波函数的乘积的特例情况下，即 F（a，b）= F(a)F(b)。如果是这样的话, 这两个粒子还是可以免于纠缠的。但如果不是的话, 那么，这两个粒子就注定了要纠缠在一起，也注定了要产生非定域性。
当然，上面的陈述假定了量子力学的概率解释，即概率密度等于|F|2。如果这种概率解释由于某种原因是无效的，那么，上面的陈述也是无效的。
让我们回到讨论纠缠的问题。纠缠当然是一种完全非直观的现象。甚至于可能有人（也许包括爱因斯坦）希望，纠缠被实验所否证。然而，我想提出的观点是，了解到量子纠缠真的是确有其事，而且，得到了实验的证明，是令人安慰的。否则，我们现在相信的带来难以想象的巨大革命的许多物理学原理将不得不全部被抛弃。量子纠缠概念违反了我们普通人的直觉，幸运的是，到目前为止它被证明是正确的。
我想说的是，一旦我们接受量子力学的波函数概念及其概率解释，纠缠就成为一个不可避免的必要概念，而且它必须是对的。很容易明白这一点，不需要借用精辟的EPR悖论来阐明，我下面给出一个例子。
考虑一个弹性散射实验。我们利用散射装置散射一个粒子。这个粒子要么散射到检测器1，要么散射到检测器2，这两个检测器相距
现在，我们尽可能地用量子力学的波函数概念和概率解释来描述同样的实验。散射后的粒子被用波函数F来描述，波函数F的空间范围涵盖了检测器1和2。有了粒子被检测器1检测到的特定概率（比如说，1/2），其余的概率（即其余的1/2）是被检测器2检测到的。因此，一旦知道了检测器1的结果，你立即会知道检测器2的结果。在某种意义上，这已经是一种纠缠。只是因为在这个例子中，现行量子力学的纠缠结果与经典力学所预期的结果是完全一致的，以至于一般不去细想的话，就不把它当做一种悖论来讨论。
在经典描述中，粒子在散射的那一瞬间已经被决定了是向着检测器1散射，还是向着检测器2 散射，即使对它不进行观察，也是如此。散射瞬间之后，它只以小于光速的速度慢慢地、稳定地沿着它的方向前进。在这种描述中，没有用到波函数、没有纠缠、没有非定域性、没有波函数的塌缩、没有超光速以及没有违反因果关系。但是，在量子力学中，一旦我们接受了波函数和概率解释，所有这些微妙的问题就随之出现了，而且非出现不可，否则，要出很大的翻盘问题。
成：这就是说，物理学家首先肯定这些被散射的粒子是存在的，这是实验能够进行的前提条件。然后，才有可能讨论对它的描述问题。在这个散射实验中，如果我们用经典语言描述的话，粒子在散射后，向着哪个检测器散射，是由初始条件决定的，与是否观察无关。这是很容易理解的。但是，如果我们用量子力学语言描述的话，就会出现新的难以理解的情况。我不明白的一个问题是，在您的上述表述中，给人的感觉似乎是，纠缠是由描述实验的语言造成的，而不是粒子自身的特性。如果把纠缠理解为粒子自身的特性，那么，不能够揭示出散射粒子的这种特性的语言，就不能用来描述这个实验，尽管碰巧其最终结果是一致的。
赵：是的, 我们首先肯定这些被散射的粒子是存在的, 然后设法解释它运动和作用的规则。
在经典语言中，一旦发生散射，即使没有进行任何观察，粒子也要么射向检测器1，要么射向检测器2。粒子绝对不会既射向检测器1，又射向检测器2。在量子力学的意义上，粒子散射之后、检测之前，波函数同时涵盖了检测器1和检测器2，也就是同时存在着检测器1的概率和检测器2的概率。所以在散射后检测前，量子力学说，这个粒子是同时出现在检测器1和检测器2当中的，这一点是和经典力学的说法完全不同的。但是，一旦你检测时，如果这两个检测器分开得足够远的话，那么，假如你在检测器1中检测到粒子，就不可能再在检测器2中检测到。从经典力学的观点来看，这是绝对正常的，完全没有讨论的必要。但如果您在量子力学的意义上观察这个系统，那么，你用来描述这个系统的波函数在经过检测的步骤时，就必须经过一个塌缩的过程, 才能得到正确的答案。它就已经是一种纠缠在起作用。在目前这个简单的实验里，经典力学和量子力学给出相同的最后答案，但它们的基本概念和物理内涵都是截然不同的。
成：现在，如果把您的散射实验中的粒子用宏观实体来代替，比如说，一个小铁球沿着一个轨道弹出，这个轨道在中间分叉变成了两个轨道，根据经典概率的计算，在正常情况下，我们也能知道小铁球进入每一个轨道的概率是1/2。这与根据量子力学的波函数计算出的概率有什么不同呢？
赵：对于每一个检测器来说，概率当然都是1/2。在经典意义上和量子力学意义上都是这样的。两者并没有给出不同的最终答案，这也是为什么一般不把这个单粒子弹性散射实验当成悖论来讨论的原因。然而，从基本意义上看，即使当它们给出了相同的最终结果，它们也是非常不同的。在经典意义上，它是简单的和直接的。可是，在量子力学的意义上，你必须提出纠缠才能获得正确的答案。
在我的观点中，纠缠的论点如下：在经典图像中，是明确的。但是，在量子力学的意义上，你允许使用的唯一语言是波函数，用涵盖了相距
成：您的意思是说，经典概率是不会变的，在测量前与测量后是一样的，或者说，经典概率本身只与多次测量相关；而在量子力学的意义上，波函数反映出的概率在测量之前和之后是不一样的，是会发生变化的，是这个意思吗？
赵：“塌缩”是指波函数，因此，在经典力学中没有称之为塌缩这样的事情。 但在经典力学中，粒子在发生散射那一瞬间之后，一定要么向着检测器1运动，要么向着检测器2运动，绝对不可能是两者同时。如果粒子是向检测器1运动的話，那么，在散射的瞬间之后，粒子向检测器1运动的概率已经变成了100%， 而向检测器2运动的概率已经变成0%了，即使您不进行任何测量，也是这样的。
在量子力学中（至少是在薛定谔方程中），物理图像和描述使用的语言就完全不同了。在这里，唯一的语言是波函数及其概率解释，即使在粒子“散射瞬间”（严格地说来，“散射瞬间”在量子图像中是不明确的。但是我们在这里不讨论这一点。）之后，波函数在空间中展开了，如果没有进行测量的话，粒子就会同时既在检测器1，也在检测器2。这个物理图像在经典力学里是不可思议的。然而，当进行了一次观察时，在这个简单的散射实验中，经典图像和量子图像都恰好给出了相同的最终结果。我论证的观点是，纠缠在量子力学中是必需的。否则，将会出现很大的问题。这种论证我在前面已经给出，这里不再重复。
成：在通常的理解中，量子纠缠应该是对两个粒子以上的系统而言的，对于单粒子系统，也会有量子纠缠现象出现吗？如果是的话，在单粒子系统中，量子纠缠是指两个检测器之间的纠缠吗？
赵：是的，纠缠是指含有两个粒子的情形。但是，在两粒子系统中，引起量子纠缠的物理机制，即使在一个粒子的情况下也是同样要起作用的，就比如在我们所讨论的单粒子散射实验中。所以, 在我看来，这种情况应该被考虑成是一种纠缠。当我们讨论纠缠时通常强调两粒子系统的理由，只是因为在两粒子系统中，纠缠比较容易产生一些违反直觉的类似于悖论的最终结果而已。在我们的讨论中，我把纠缠概念推广到了单粒子的情形。
在前述的单粒子散射实验的分析中，没有做出任何一种关于两个检测器之间的纠缠假设。事实上，到目前为止，甚至没有假设两个检测器是量子力学的系统，当然就更没有提到它们之间的可能的纠缠。我认为，一个重要的问题是，在有些更复杂的情况下，为了使测量系统成为自洽的，最终，有必要把检测器也看成量子力学系统，因而，把整个系统（粒子、散射机制、检测器1和检测器2）看成是一个整体的量子力学系统。在我的想法中，这种可能性还是有的。
成：既然纠缠是量子力学的概念系统与形式体系自身所蕴含了的，那么，我们应该把纠缠理解为是波函数的性质，波函数的概率解释的性质，还是两者共同的性质？在这个散射实验中，经典概率与量子概率在最终测量之后的结果上是相同的，那么，在本性上，两者有什么区别呢？
赵：为了描述量子力学，波函数和概率解释是被一起考虑的。否则，当您计算波函数时，您干什么呢？是为了什么呢？您计算波函数，是为了计算概率。因此，必须把它们一起作为物理学工具来使用。当两者共同考虑时，纠缠结果才假定为是有意义的。
在我们这里讨论的这个简单实验中，经典力学和量子力学当然是不一样的，只不过在该实验中，它们给出了相同的最终结果而已。但是，在其他实验中（例如，双缝实验），它们可能给出不同的结果。我用这个简单实验作为例子的原因是，其一，我知道正确的结果应该是什么；其二，我想要举例说明，纠缠在量子力学中是一个基本的必要条件，不需要动用非常奇特的实验（例如，EPR）来领会这一点。
成： 当您承认有时需要把整个两个检测器也看成是量子力学系统时，您的这种理解是不是接受了冯·诺意曼的观点？
赵： 当我说检测器可能不得不被考虑为整个量子系统的一部分时，我没有提倡这种思想。到目前为止，在所讨论的这个简单实验中，我没有必要这样做。我想说的是，如果有一天，某人需要说明另外一个难以理解的量子力学悖论，他需要调用检测器的量子力学本性，我将对此不太感到惊奇。
至于冯·诺意曼，他的纠缠的讨论似乎是针对在粒子与检测器之间的，而不是在两个检测器之间。在不太精确的意义上，我们或许可以认为，所有的纠缠都来自波函数，因此，它们都有共同的起源。如果是这么想, 然后又把整个系统都量子化的话, 或许就不在乎或看不出来是谁和谁纠缠了。
成：可是，在您给出的散射实验中，当您为了说明纠缠现象的起源把波函数F(1) 和F(2)分配给两个检测器时，事实上，您已经在用量子力学的语言来描述检测器，这与冯·诺意曼的考虑是完全一致的，怎么能说没有提倡把检测器考虑为量子系统的一部分呢？现在，我们还是回到关于电子等微观粒子实在性问题的讨论上来。一开始，您说在量子力学中，电子实际上是一个算符，既然如此，我们应该如何看待电子的实在性呢？
赵：正如您说的那样，我事实上大体同意冯·诺意曼的观点。我前面所说的只是在这个简单实验中，我不认为我不得不提倡这种观点。比如，我没有像冯·诺意曼那样把检测器本身也用波函数来表示，在这里，F代表的是粒子的波函数，不是检测器的波函数。
我在设法说明，一个电子确实是存在的，但只是作为抽象空间中的一个算符而存在。我们称之为电子的这个对象只是算符投影到人类能够观察到的非常有限的特殊时空中的映像（ image ）。换言之，在我们的内心里，您和我心目中的电子，只有当我们观察它时，它才在那里。当我们不观察它时，它是一个抽象空间中的一个抽象算符。“抽象” 这个词只对有限的人类才是有意义的。
成：算符只是对“电子”在抽象时空中的一种数学表征，而不是对象本身。如果认为，在我们不观察它时，电子是一个抽象空间中的一个抽象算符，这是否意味着，算符就是对电子这个术语所指称的那个对象的存在状态的真实描述呢？
赵：我们人类不应该自称，我们所看到的，才是“实在”的。这可能是人类的一种傲慢自大的观点，我们应该尽可能地避免这种观点。真实的东西好像是在一个抽象空间当中。一个电子确实存在于这个抽象空间中。它有无数种方式来表现自身。如果人们观察它，由于人类的局限性，他只能通过电子在四维时空（3维空间加1维时间）中的投影来观察它。即使我们今天通过很精密的仪器来观察它, 我们仍然是在有限的四维时空观察那个仪器。或者有一天, 我们能超出这些限制再观察它时，它可能有另一个“实在”的不同外表。
在这一点上，让我们现在回顾一下理论物理学发展与演化的历史，特别是20世纪30年代出现量子力学之后。我们会注意到，理论物理学的整个历史不断地、无法阻挡地朝着抽象的方向发展。从经典力学到非相对论量子力学，从非相对论量子力学到量子场论（含有二次量子化和重整化），从麦克斯韦方程到规范场，从规范不变性到纤维丛，等等，都是向着抽象程度越来越高的方向发展的例子。物理学家对宇宙现象的了解越来越不得不依赖抽象的描述，这种依赖的程度越来越深入，以至于让人们不得不想到或怀疑，也许一个电子的真正实体是存在于抽象的空间中，而这种抽象空间中的存在才是真正的“实在”。注意“抽象”两个字是对人类而言的。电子自己一点也不觉得需要什么抽象。
大概允许我这样说：什么是一个电子呢？特别是，什么是你所说的“对象本身”的那个电子呢？这里有两种可能的观点：
（1） 对象本身 = 我上面提及到的抽象实在。
（2） 对象本身 = 电子正像我们在限于四维时空中设想/观察它的那样。
正确的等式是（1），不是（2）。电子真的是存在的。但是，它们并不像你我所设想的那样存在着。完全没有错，电子愉快地存在和生活在一个我们人类认为是“抽象的”空间当中。在这里，我并不是在说我们看到的四维空间中的电子不是真实的，它们是真实的，但它们只是真实的冰山露出的一角，不能和真实画上等号而已。
其实，真正最最神奇的还不是这一点。最最神奇的是，为什么描述一个电子以及它存在生活于其中的这个抽象空间是与数学完全一致的？数学似乎是不谋而合地描述了这种真正的“实在”。数学怎么会又凭什么会如此特殊呢？好像还没有人知道其原因，这真是太美妙、太神秘了。这种神秘性是可以非常令人敬畏的。甚至可以相信，这种源自数学的神秘性导致了人们对自然界的更深刻的评价，对于某些人来说，这甚至可能是他们虔信或皈依宗教的理由。
成：这就是说，我们现在认识到的微观粒子实际上只存在于一个抽象的数学空间当中。这个数学空间是多维的，而我们的观察只能在四维时空中进行，因此，我们所观察到的只是它们的一个侧面，或者说，一个投影。这个投影虽然不是微观粒子本身的真实存在状态，但是，我们至少可以确信，这些微观粒子是真实存在着的，波函数描述了它们投影在四维时空中的存在状态。您的这种观点意味着，您承认电子等微观粒子与我们宏观意义上看到的实物粒子一样，都是真实存在的，只是它们的存在空间和存在方式有所不同。如果确实是这样的，那么，您是如何看待微观粒子与场之间的关系的呢？或者说，在量子场论中，微观粒子处于什么样的地位呢？
赵： 我基本上同意您所说的。只是我对波函数有保留意见。波函数并不是实在，或至少还没有证据表明，它是实在或实在的一部分。波函数是我们为了把我们所观察到的現象描述为实在所发明的一种方法或一种语言。它是一种工具。不可思议的是，这种工具在实验中已经证明是有效的，而且有惊人的极高的精确性。另一方面，这种工具也有许多明显的问题——否则，我们也不会在这里拼命讨论它。在这一点上，我把波函数看成是一种工具，它目前还不应该等同于“实在”。
我们之前的讨论基本上是站在非相对论量子力学的观点上进行的讨论。如前所述，理论物理的发展目前已经远远超出了薛定谔方程和波函数的范畴。而且，一旦我们超越了薛定谔方程，抽象程度就会一步步快速提升。比如说规范场就是奇怪的对象。从纯经典的观点来看，它们仅仅是某种抽象的数学现象，本身非常有趣，却起不了物理作用。但是，引人深思不解的是，规范不变性原理似乎同时又扮演了所有物理相互作用的基本的潜在原理的角色。一旦你要求规范不变性，粒子与场之间如何相互作用的关系就会自然而然地、无可避免地出现。为什么会如此呢？没有人知道其原因，我们目前对物质的了解，恐怕顶多只能算是在知其然，而不知其所以然的勉强及格的程度，但是，我们目前看到的已经是太美妙了，令我们叹为观止。
成：经典粒子的运动是用力、速度、加速度、质量等等概念描述的，我们用来表示这些物理概念的数学符号通常都具有精确的物理意义，或者说，数学符号是有所指的，它的指称对象赋予其物理意义。但是，在量子力学中，波函数是一个非常不同的数学符号，它本身没有物理意义，只有它的振幅才有物理意义，因此，它本身就没有所指。这样，在如何理解波函数的本性问题上，就出现了争论。按照您上面的理解，您一方面承认，从现有的实验来看，波函数所描述的微观对象的特性是真实的，例如，量子纠缠；另一方面您又主张把波函数只看成是一种工具，由于对工具的评价只有好坏之分，没有真假之别，那么，在这种意义上，您是如何理解量子力学的实在性的呢？
赵： 您刚才问到有关微观粒子与宏观粒子都是真实存在的，只是它们的存在空间与存在方式有所不同，我没有及时回答。您这个说法我也是要大大存疑的。我不认为看微观粒子与宏观粒子的时候是需要人为地将它们分开来的，就好像看到一个大一点的物件就用经典力学描述，小一点的就用量子力学描述。这样的想法是违反物理学原则的。物理学希望达到的是用同一个框架来说明和解释所有的物理现象，与物件的大小无关。我们现在相信，不管是微观粒子，还是宏观粒子，它们都生活在量子世界中。经典力学是错的，量子力学至少目前看来是对的。只是对宏观粒子而言，经典力学虽然是错的，它还能当成很好的近似来使用，所以，还有它存在的价值而已，对微观粒子来说，它连近似的资格都没有了。
现在让我试着回答您刚提出的这个问题。在我们试图说明我们所观察的现象时，我们“发明”了称之为波函数的重要概念，并且，我们“发明”了对这个波函数的概率解释。到目前为止，这两个发明结合在一起已经以极高的精确度描述了我们所观察的领域，包括纠缠在内。
这意味着波函数不仅是一种工具, 而且本身就是一种“实在”吗？也许是的。但是，如果20年后人们发现，我们终究被迫放弃把它当成真正的实在的期望，毕竟，我将不感到惊奇。这两个发明加起来产生了很深奥的问题，这就是为什么我们在试图说明它们时会如此艰难的原因所在。到目前为止，我们仅仅是千钧一发地在勉强维持着我们得来不易的对量子力学的那一点了解。这也是为什么我在先前说到量子纠缠得到实验证实时，让人们大大地松了一口气的原因。
我想提到关于波函数的另一个方面，即只有波函数的振幅才有“物理意义”（根据概率解释），它的相位没有“物理意义”。但精妙之处在于，在阐述物理学的基础原理方面，似乎相位有着深刻的“物理意义”。规范不变性基本上应用于相位，正如我前面所说的那样，这在现代理论物理学中起着非常基本的作用。相位的行为表现（特别是它在规范变换下的行为表现）决定了所有粒子和场之间相互作用的规则，这是天大的事情。这样看来，波函数的相位是“沒有物理意义的”吗？不，它可能是有极其重要的物理意义，仅仅是它的物理意义不是人类能直接观察到的而已。
成：这就是说，到目前为止，以波函数的概率解释为基础的现行的量子力学的成功运用，恰好印证了爱因斯坦所说的概念思维能够把握实在的观点，只是量子力学提供的这种概念思维离常识相差太远，人类的观察能力远远落后于人类的思维创造能力。因此，我们不能因为我们观察不到电子，就否认电子等微观粒子是存在的。问题在于，一旦我们把这些粒子接受为一种抽象的存在，就需要根据以量子力学的概念体系为基础的微观理论的思维方式，提炼出与经典物理学不同的新的科学实在观。在这种新的实在观没有确立之前，关于波函数的本性的争论是很难停止的。您同意这种看法吗？
赵：是的，我同意您所说的。我来补充一个评论。我对您说的“概念思维”是什么意思有点疑惑。我在这里的解释是，您的概念思维的意思是，我前面提到的“抽象思维”。正是这种思维把物理学带到了抽象空间，也正是这种思维由于某种原因与数学有着密切的联系。如果这是您说的“概念思维”的意思，那么，我的确同意您的看法。
成：通过您的这些评论，我对微观粒子的实在性问题和现行量子力学在物理学家心目中的地位有了很深的了解。从您上面的讨论中，使我真正意识到，粒子世界真的是奇妙无穷，它的抽象性与隐蔽性只是对我们人类的认识能力而言的。我们现在对这些粒子的理解，也只是根据我们人类有限的能力所得出的理解，这些理解还会随着科学的不断发展得以完善与修正。或者说，我们一方面在根据理论描述来理解粒子世界；另一方面又通过不断揭示出的粒子世界的新特性来修改着我们的理解。限于篇幅，我们关于微观粒子的实在性的话题暂且先谈到这里。非常感谢您在百忙中抽时间为我阐述您对微观粒子实在性问题的理解与观点。
赵：我也很高兴有这个讨论的机会，说了一些个人粗浅的看法。
（原载《哲学动态》，2009年第2期。录入编辑：乾乾）